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Die
Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum hydromechanischen Tiefziehen
von Werkstücken
aus Blechzuschnitten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekanntes, gattungsgemäßes Umformwerkzeug
(Zeitschrift „BLECH" Nr. 9/1963, Seite
575, Bild 7) besteht im wesentlichen aus einem Wasserkasten, einem
Ziehring und einem Ziehstempel sowie einem betätigbaren Niederhalter.
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Der
Wasserkasten ist mit Kastenseitenwänden und einem Kastenboden
als Werkzeugtrog ausgeführt,
der als Unterwerkzeug mit einem flüssigen Wirkmedium befüllbar ist
und dadurch die Ziehmatrize bildet. Der Ziehring ist plattenförmig ausgeführt und
der Rand der Ringöffnung
des Ziehrings bildet eine Ziehkante für das Werkstück. Der
Ziehring liegt mit seinem Ringbereich auf den Oberkanten der Kastenseitenwände des
Wasserkastens dicht auf.
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Der
Ziehstempel ist mittels eines verstellbaren Stößels bewegbar dergestalt, dass
er unter Zwischenschaltung des Blechzuschnitts durch die Ringöffnung des
Ziehrings hindurch in den Bereich des Wirkmediums verlagerbar ist.
Der betätigbare
Niederhalter dient zur Halterung der Ränder des eingelegten Blechzuschnitts,
wobei der Haltedruck so gewählt
ist, dass eine Gleitmöglich keit
der Blechzuschnittränder
bei einer Belastung des Blechausschnitts durch den Ziehstempel besteht.
Zudem presst der Niederhalter den Randbereich des Blechzuschnitts
gegen eine im Ziehring eingelassene Dichtung und dichtet so das
Wirkmedium enthaltene System nach außen ab. Beim Ziehvorgang dringt
der Ziehstempel unter Zwischenschaltung des Blechzuschnitts in das
Wirkmedium, üblicherweise
eine Wasser-Öl-Emulsion,
ein, wodurch dieses über
eine einstellbare Drossel verdrängt
wird. Der sich gemäß der Drosselstellung
ergebende Reaktionsdruck bewirkt ein Anpressen des Blechzuschnitts
an den Ziehstempel, wodurch das Werkstück mit entsprechender Form
herstellbar ist.
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Bei
vorgegebener Größe des Wasserkastens
können
durch einen Austausch und die Verwendung unterschiedlicher Ziehringe
mit jeweils unterschiedlichen Ringöffnungen und angepassten Ziehstempelgrößen mit
dem selben Umfangwerkzeug entsprechend unterschiedliche Werkstücke gefertigt werden.
Dabei können
folgende Probleme auftreten:
Bei relativ großen, regelmäßig geformten
Werkstücken
liegt der Ziehring mit seinem Ringbereich so auf den Wasserkastenseitenwänden auf,
dass er nur mit einem kleinen freien Überstand ohne größere Freiflächen die
Wasserkastenseitenwände
zur Mitte des Wasserkastens hin überragt.
Beim Umformvorgang und dem Druckaufbau im Wirkmedium übt dieses
einen Druck von unten her auf diesen freien Überstand aus. Wegen der geringen Überstandsbreite
ist die Kraftwirkung auf den Überstand
relativ gering und führt
zu keiner merklichen Verformung des Ziehrings. Anders liegen die
Verhältnisse
bei einer Herstellung eines kleineren und/oder eines stark unregelmäßig geformten
Werkstücks
unter Verwendung eines Ziehrings mit relativ kleiner Ringöffnung und
einem angrenzenden Ringbereich als Freifläche, und/oder einer weit zur
Wasserkastenmitte vorstehenden unregelmäßig geformten Freifläche, wobei
der fest im Umformwerkzeug integrierte relativ große Wasserkasten
auch hier verwendet ist. Während
des Umformvorgangs übt
der Druck im Wirkmedium eine erhebliche Kraft in Vertikalrichtung
nach oben auf solche relativ große Freiflä chen aus. Dies kann sowohl zu
bleibenden Verformungen des Ziehrings und/oder zu elastischen Verformungen
des Ziehrings im Bereich der Freiflächen während des Umformvorgangs in
der Art eines „Aufatmens" führen, wodurch
die Herstellqualität
und die Reproduzierbarkeit bei der Werkstückherstellung ungünstig und
unkontrollierbar beeinflusst sind. Eine solche Verformung könnte allenfalls
durch eine höhere
Stabilität
eines Ziehrings verhindert werden, wodurch jedoch nachteilig die
Plattenstärke
des Ziehrings vergrößert werden
müsste.
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Ein ähnliches
Umformwerkzeug mit einem Wasserkasten, Ziehring und Stößel ist
aus der
DE 199 28
422 A1 bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber ein
gattungsgemäßes Umformwerkzeug
so weiterzubilden, dass bei Ziehringen mit Freiflächen, die
die Kastenseitenwände über dem
Wirkmedium zur Kastenmitte hin überragen,
eine Verformung des Ziehrings im Freiflächenbereich, während des
Umformvorgangs weitgehend unterbunden ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 ist zwischen wenigstens einer Freifläche des Ziehrings und eines
darunterliegenden Bereichs des Kastenbodens wenigstens ein Volumenelement
mit der entsprechenden Abstandslänge
einsetzbar, das sowohl von unten her ohne Spalte zumindest an einem
Teilbereich der Freifläche und
von oben her ohne Spalte am darunterliegenden Kastenboden anliegt.
Dabei verdrängt
das Volumenelement entsprechend seinem Volumen das Wirkmedium zumindest
unter dem Teilbereich der Freifläche, an
dem es anliegt, bis zum darunterliegenden Kastenboden.
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Beim
Eindringen des Ziehstempels in den Bereich des Wirkmediums wird
darin der Druck erhöht,
der sich in allen Raumrichtungen gleichmäßig aufbaut und ausbreitet.
Da jedoch die Flüssigkeitssäule zwischen
dem Kastenboden und der darüberliegenden
Freifläche
von dem wenigstens einen Volumenelement verdrängt ist, kann sich im Bereich
des Volumenelements keine vertikal nach oben gerichtete Druckkomponente
ausbilden. Damit ist die vertikal nach oben wirkende Druckkraft
auf die Freifläche
entsprechend der Erstreckung des Volumenelements erheblich reduzierbar.
Damit kann eine ungünstige Verformung,
insbesondere ein „Aufatmen", des Ziehrings insbesondere
im Freiflächenbereich
unterbunden werden. Das Problem einer druckbedingten Ziehringverformung
in der Art eines „Aufatmens" und eine damit verbundene
Reduzierung der Herstellqualität
kann damit auf einfache Weise behoben werden. Zudem sind solche
Volumenelemente in geeigneten, den jeweiligen geometrischen Gegebenheiten
angepassten Formen kostengünstig
herstellbar und einfach und schnell im Wasserkasten einstellbar.
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Vorzugsweise
sind nach Anspruch 2 verwendete Volumenelemente als gerade, prismatische
Körper
mit rechtwinklig zur Prismenachse verlaufenden Endflächen als
beidseitige Anlageflächen
ausgebildet. Dabei ergeben sich durch die gerade Erstreckung zwischen
dem Kastenboden und den Freiflächen
grundsätzlich
keine vertikal nach oben gerichteten Druckkomponenten im Bereich
der Anlage an den Freiflächen.
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Für unterschiedliche
Einsatzfälle
sollten nach Anspruch 3 mehrere, insbesondere quaderförmige und
zylindrische Volumenelemente mit unterschiedlich großen Anlageflächen zur
Verfügung
stehen, die dann je nach den Gegebenheiten einzeln oder in Kombination
unter Freiflächen
für deren
möglichst
vollständige
Abdeckung einsetzbar sind.
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In
einer besonders bevorzugten, konkreten Ausführungsform nach Anspruch 4
weist das wenigstens eine Volumenelement einen Elementkörper aus inkompressiblem
Material auf, so dass damit eine sichere Verdrängung einer Flüssigkeitssäule gewährleistet
ist. An den beidseitigen Anlageflächen des Elementkörpers soll
jedoch eine Schicht aus Elastomermaterial vorgesehen sein. Damit
kann das Volumenelement unter Verformung des Elastomermaterials
spaltfrei zwischen den Kastenboden und die Freifläche geklemmt
werden.
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Eine
spaltfreie Anbringung ist wesentlich, da sonst bei einem Eindringen
des Wirkmediums in einen Spalt wegen der gleichmäßigen Druckausbreitung eine
Druckkomponente auch vertikal nach oben erzeugt werden würde, was
gerade unterbunden werden soll.
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In
einer Weiterbildung nach Anspruch 5 ist die Schicht aus Elastomermaterial
jeweils als Elastomerplatte ausgebildet, die mit einem überstehenden Randflansch
den Elementkörper überragt.
Der Randflansch wird zweckmäßig am Elastomerkörper umlaufend
ausgeführt.
Damit liegt das Wirkmedium beim Umformvorgang am freiflächenseitigen
Randflansch mit einer Druckkomponente nach oben und am bodenseitigen
Randflansch mit einer Druckkomponente nach unten an. Dadurch werden
vorteilhaft die Randflansche auf die jeweiligen Gegenflächen dicht
angepresst, so dass darüber
die Sicherheit für eine
spaltfreie Anlage verbessert wird.
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Gemäß Anspruch
6 umfasst das Umformwerkzeug weiter wenigstens einen in den werkzeugintegrierten
Wasserkasten einstellbaren Wasserkasteneinsatz, der unter Freihaltung
des ihn umgebenden Wasserkastenvolumens mit Wirkmedium befüllbar ist.
Der dazu verwendete Ziehring liegt mit seinem Ringbereich auf dem
oberen Rand der Einsatzseitenwände
dicht auf, wobei hier vorzugsweise eine umlaufende Dichtung an der
Oberkante der Einsatzwände
angebracht ist. Damit ist ersichtlich ein freier Überstand
und damit die Freifläche
eines Ringbereichs bei einem Ziehring mit kleiner Ringöffnung reduziert.
Zweckmäßig stehen
mehrere Wasserkasteneinsätze
unterschiedlicher Oberflächengrößen zur Verfügung, die
mit unterschiedlichen Ziehringen so kombinierbar sind, dass für die jeweilige
Kombination nur geringe freie Ringbereichüberstände vorliegen und damit der
Druck im Wirkmedium beim Umformvorgang nur eine geringe Kraftwirkung
in Richtung eines „Aufatmens" des Ziehrings bewirkt.
Vorteilhaft kann somit das selbe Umformwerkzeug unter Beibehaltung
des werkzeugintegrierten, relativ großen Wasserkastens auch zur
Herstellung relativ kleiner Werkstücke verwendet werden, ohne
dass das Problem einer druckbedingten Ziehringverformung in der Art
eines „Aufatmens" mit einer Reduzierung
der Herstellqualität
besteht. Allerdings können
auch bei einer Verwendung eines Wasserkasteneinsatzes, insbesondere
bei der Herstellung sehr unregelmäßig geformter Werkstücke, in
den Bereich des Wirkmediums ragende Freiflächen vorliegen, deren Verformung
mit den erfindungsgemäßen Volumenelementen
unterbunden werden kann.
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Anhand
einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht durch ein Umformwerkzeug zum hydromechanischen
Tiefziehen von Werkstücken
aus Blechzuschnitten,
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2 einen
Ziehring mit einer Freifläche
und darunter angeordneten Volumenelementen,
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3 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines geraden, prismatischen
Körpers
als Volumenelement,
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4 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines zylindrischen Volumenelements,
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5 eine
schematische Schnittansicht durch ein Unterwerkzeug eines Umformwerkzeugs mit
in einem Wasserkasten eingesetzten Wasserkasteneinsatz, und
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6 eine
schematische Draufsicht auf einen auf einem Wasserkasten aufliegenden
Ziehring mit einer Freifläche
gemäß dem Stand
der Technik.
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In
der 1 ist eine schematische Schnittansicht durch ein
Umformwerkzeug 1 zum hydromechanische Tiefziehen eines
Werkstücks
aus einem Blechzuschnitt 2 gezeigt, das als Unterwerkzeug 3 einen
Wasserkasten 4 mit Kastenseitenwänden 5 und einem Kastenboden 6 umfasst.
Der Wasserkasten 4 ist mit einem flüssigen Wirkmedium 7,
z. B. einer Wasser-Öl-Emulsion,
befüllbar
und bildet dadurch die Ziehmatrize.
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Ferner
umfasst dieses Umformwerkzeug 1 einen plattenförmigen Ziehring 8 mit
einer Ringöffnung 9,
wobei der Rand der Ringöffnung 9 eine
Ziehkante für
das als Blechzuschnitt 2 ausgebildete Werkzeug bildet.
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Wie
dies der 1 weiter entnommen werden kann,
liegt der Ziehring 8 mit seinem Ringbereich auf den Oberkanten
der Kastenseitenwände 5 des Wasserkastens 4 dicht
auf.
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Ferner
umfasst das Umformwerkzeug 1 einen mittels eines hier nicht
dargestellten verstellbaren Stößels bewegbaren
Ziehstempel 10, der unter Zwischenschaltung des Blechzuschnitts 2 durch
die Ringöffnung 9 des
Ziehrings 8 hindurch in den Bereich des Wirkmediums 7 verlagert
werden kann, wobei durch eine gezielte Verdrängung des Wirkmediums 7 der
Blechzuschnitt mit einem Reaktionsdruck als Anpressdruck auf den
Ziehstempel 10 beaufschlagbar ist.
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Wie
dies aus der 1 zudem weiter ersichtlich ist,
umfasst das Umformwerkzeug 1 ferner einen betätigbaren
Niederhalter 11, der an seinen freien Enden einen austauschbaren
Blechhaltering 12 aufweist, der mit einer Ringöffnung 13 entsprechend
an die Ringöffnung 9 des
Ziehrings 8 angepasst ist und mit dem die Ränder des
umzuformenden Blechzuschnitts 2 gehalten werden.
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In
der 6, die eine Ausführungsform gemäß dem Stand
der Technik zeigt, ist eine Draufsicht auf einen unregelmäßig geformten
Ziehring 50 gezeigt, mit dem ein unregelmäßig geformtes
und hier nicht dargestelltes Werkstück hergestellt werden soll. Dieser
Ziehring 50 liegt mit seinem Ringbereich auf den Oberkanten
von Kastenseitenwänden 51 eines Wasserkastens 52 auf.
Wie dies aus den Stand der Technik zeigenden 6 weiter
ersichtlich ist, steht eine Freifläche 53 des unregelmäßig geformten
Ziehrings relativ weit zur Wasserkastenmitte hin vor, so dass das
im Wasserkasten 52 angeordnete Wirkmedium 54 während des
Umformvorgangs eine erhebliche Kraft in Vertikalrichtung nach oben
auf die Freifläche 53 ausübt, wie
dies in der 6 mit dem Pfeil 55 schematisch
dargestellt ist. Dies kann sowohl zu bleibenden Verformungen des
Ziehrings 50 und/oder zu elastischen Verformungen des Ziehrings 50 im
Bereich der Freifläche 53 während des
Umformvorgangs in der Art eines „Aufatmens" führen,
wodurch die Herstellqualität
und die Reproduzierbarkeit bei der Werkstückherstellung ungünstig und
unkontrollierbar beeinflusst sind.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie dies in der 2 dargestellt
ist, vorgeschlagen, dass zwischen eine derartige Freifläche 14 des
Ziehrings 8 und einem darunterliegenden Bereich des Kastenbodens 6,
der in der Darstellung der 2 allerdings
nicht dargestellt ist, mehrere Volumenelemente 15, 16 mit
der entsprechenden Abstandslänge
eingesetzt sind, wobei diese Volumenelemente 15, 16,
von denen hier lediglich beispielhaft zwei dargestellt sind, sowohl
von unten her ohne Spalte an einem Teilbereich der Freifläche 14 und
von oben her ohne Spalte am darunterliegenden und hier nicht dargestellten
Kastenboden 6 anliegen. Dadurch verdrängen sie entsprechend ihrem
Volumen das Wirkmedium 7, das in der 2 ebenfalls
nicht dargestellt ist, zumindest unter demjenigen Teilbereich der
Freifläche 14 bis
zum darunterliegenden Kastenboden 6, an dem die Volumenelemente 15, 16 anliegen.
Dadurch kann sich im Bereich der Volumenelemente 15, 16 keine
vertikal nach oben gerichtete Druckkomponente ausbilden, so dass
die vertikal nach oben wirkende Druckkraft auf die Freifläche 14 entsprechend
der Erstreckung der Volumenelemente 15, 16 erheblich
reduziert ist und das „Aufatmen" des Ziehrings 8 unterbunden
werden kann.
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In
der 3 ist eine vergrößerte, perspektivische Darstellung
des Volumenelements 15 gemäß 2 dargestellt,
das als quaderförmiger
Körper
mit rechtwinklig zur Quaderachse 17 verlaufenden Endflächen 18, 19 als
beidseitige Anlageflächen
ausgebildet ist.
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Wie
dies sowohl aus der 2 als auch aus der 3 ersichtlich
ist, weist das Volumenelement 15 einen Elementkörper 20 aus
einem inkompressiblen Material auf, während an den Anlageflächen des Elementkörpers 20 jeweils
eine Elastomerplatte 21, 22 als Elastomermaterialschicht
für eine
spaltfreie Klemmung und Anlage an den Gegenflächen des Ziehrings 8 und
des Kastenbodens 6 vorgesehen ist.
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In
der 4 ist schematisch und perspektivisch das Volumenelement 16 aus 2 dargestellt, das
als zylindrischer Körper
mit rechtwinklig zur Zylinderachse 23 verlaufenden Endflächen 24, 25 als beidseitige
Anlageflächen
ausgebildet ist.
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Wie
dies aus den 2 und 4 weiter
ersichtlich ist, weist der Elementkörper 26 an den Anlageflächen des
Elementkörpers 26 jeweils
eine Elastomerplatte 27, 28 als Elastomermaterialschicht
für eine
spaltfreie Klemmung und Anlage an den Gegenflächen des Ziehrings 8 und
des Kastenbodens 6 auf.
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Wie
dies in den 2 und 4 lediglich beispielhaft
am Volumenelement 16 gezeigt ist, können die Elastomerplatten 27, 28 den
Elementkörper 26 mit
einem überstehenden
Randflansch 29, 30 überragen, wodurch das Wirkmedium
beim Umformvorgang am freiflächenseitigen
Randflansch 29 mit einer Druckkomponente nach oben und
am bodenseitigen Randflansch 30 mit einer Druckkomponente nach
unten anliegt, wodurch die Randflansche 29, 30 dicht
auf die jeweiligen Gegenflächen
am Ziehring 8 und am Kastenboden 6 angepresst
werden.
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In
der 5 ist eine weitere alternative Ausführungsform
eines Unterwerkzeugs 31 eines Umformwerkzeugs 32 gezeigt,
bei dem in einen Wasserkasten 33 ein Wasserkasteneinsatz 34 eingestellt
ist, der an seinen Einsatzseitenwänden 37 jeweils Abstandshalter 35, 36 zu
den benachbarten Innenseiten von Kastenwänden 38 aufweist,
so dass der Wasserkasteneinsatz 34 formschlüssig im
Wasserkasten 33 gehalten ist. Beispielhaft sind hier lediglich
zwei Abstandshalter 35, 36 von vier Abstandshaltern
strichliert gezeigt. Der Wasserkasteneinsatz 34 ist rohrförmig mit
umlaufenden Einsatzseitenwänden 37 ausgebildet,
die über
eine umlaufende untere Wandkantendichtung 39 auf einen
Wasserkastenboden 40 aufgesetzt sind. Die Höhe der Einsatzseitenwände 37 entspricht
dabei der Höhe
der Kastenseitenwände 38.
Die Abdichtung nach oben zu einem Ziehring 41 erfolgt über eine
obere Wandkantendichtung 42.
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Mit
einem derartigen Wasserkasteneinsatz kann somit dasselbe Umformwerkzeug 32 unter
Beibehaltung des werkzeugintegrierten, relativ großen Wasserkastens 33 auch
zur Herstellung relativ kleiner Werkstücke als Blechzuschnitt 43 verwendet werden,
ohne dass der Ringbereich des Ziehrings 41 mit einem breiten Überstand
von den Auflagen an den Wasserkastenseitenwänden 38 über dem
Wirkmedium 44 als Freifläche zur Wasserkastenmitte hin vorsteht.
Daher kann auch durch eine solche Maßnahme des Wasserkasteneinsatzes 34 ein
Aufatmen relativ gut vermieden werden. Auch in Verbindung mit einem
derartigen Wasserkasteneinsatz 34 können bei Freiflächen des
Ziehrings 41 entsprechend in Verbindung mit der 2 geschilderte
Volumenelemente eingesetzt werden.